RU2736555C1

RU2736555C1 - Operating method of hydropneumatic unit and device for its implementation

Info

Publication number: RU2736555C1
Application number: RU2020113139A
Authority: RU
Inventors: Виктор Евгеньевич Щерба; Андрей Владимирович Занин; Александр Павлович Болштянский; Евгений Юрьевич Носов
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2020-11-18

Abstract

FIELD: hydropneumatic equipment.

SUBSTANCE: invention relates to hydropneumatic equipment and can be used in creation of compact and high-cost piston high-pressure compressors. Method of operation of the unit consists in that, when feeding liquid into the cavity of the gas cylinder, its live cross-section first increases from the minimum stroke of mid stroke to the pump piston, and then reduced to value corresponding to flow section of pressure gas valve. Prior to gas compression in gas chamber it can be pre-compressed in additional gas chamber. Hydropneumatic unit comprises piston liquid pump 1 with working cavity 2 and crank-and-rod drive 3 of piston 4. Working cavity 2 is connected with heat exchanger 6 and further with gas cylinder 7 with suction 8 and discharge valves 9. Working cavity 10 of gas cylinder 7 is made in form of spindle symmetrical relative to its cross-section, lower end 11 of which directly through channel 5 is connected to working cavity 2 of liquid pump 1, and valves 8 and 9 are installed in zone of upper end 12 of working cavity 10. During production of the piston differential there is an additional compressor cavity compressing the gas, which then is compressed in the gas cavity by liquid.

EFFECT: higher efficiency of compression process, elimination of gas leaks.

17 cl, 16 dwg

Description

Изобретение относится к области гидропневматической техники и может быть использовано при создании компактных и высокоэкономичных поршневых компрессоров высокого давления.The invention relates to the field of hydropneumatic engineering and can be used to create compact and highly efficient high-pressure piston compressors.

Известен способ работы гидропневматического агрегата, в котором сжатие газа до высокого давления осуществляется столбом жидкости при подаче ее в газовую полость, заполненную газом низкого давления. При этом жидкость сжимает газ и одновременно его охлаждает, что позволяет сжимать газ до высокого давления, благодаря также тому, что утечки газа при таком сжатии через жидкостный столб-поршень практически отсутствуют - см., например, патенты SU № 1513186 «Компрессор с жидкостным поршнем» от 07.10.1989, SU № 1687855 «Компрессор» от 30.06.1989, RU № 2259499 «Компрессор с гидрозатвором для квазиизотермического сжатия и перекачки газожидкостных смесей» от 27.08.2005, RU № 2282749 «Устройство для нагнетания газов и газожидкостных смесей» от 27.08.2006.There is a known method of operation of a hydropneumatic unit, in which gas is compressed to high pressure by a column of liquid when it is fed into a gas cavity filled with low pressure gas. In this case, the liquid compresses the gas and simultaneously cools it, which allows the gas to be compressed to high pressure, due also to the fact that gas leaks during such compression through the liquid piston column are practically absent - see, for example, patents SU No. 1513186 "Compressor with a liquid piston "Dated 07.10.1989, SU No. 1687855" Compressor "dated 30.06.1989, RU No. 2259499" Compressor with a hydraulic seal for quasi-isothermal compression and pumping of gas-liquid mixtures "dated 27.08.2005, RU No. 2282749" Device for pumping gases and gas-liquid mixtures "from 27.08.2006.

В этих же источниках информации описаны устройства для осуществления такого способа, которые содержат поршневой насос цилиндрической рабочей полостью и кривошипно-шатунным приводом поршня, причем рабочая полость соединена каналом непосредственно с газовым цилиндром, имеющим всасывающие и нагнетательные клапаны.The same sources of information describe devices for implementing such a method, which contain a piston pump with a cylindrical working cavity and a crank-connecting rod drive of the piston, and the working cavity is connected by a channel directly to a gas cylinder having suction and discharge valves.

Недостатком известного способа и основанных на нем конструкция является неэффективное охлаждение сжимаемого газа, что практически делает сжатие адиабатным и существенно снижает экономичность способа и устройств, особенно при сжатии газа до высокого давления. Это, например, отмечается в диссертационной работе Мартынова В.Н. «Разработка и исследование насосно-компрессорных установок для сжатия газов и газожидкостных смесей». Автореферат канд. техн. наук, - М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2009. На стр. 21 автореферата в выводах по работе автор, в частности, пишет: «Интенсивность теплообмена в компрессионной камере не столь высока, чтобы можно было считать процесс сжатия изотермическим. Значение коэффициента политропы сжатия возрастает с ростом отношения давлений, постепенно приближаясь к показателю адиабаты соответствующего газа».The disadvantage of the known method and the design based on it is ineffective cooling of the compressed gas, which practically makes the compression adiabatic and significantly reduces the efficiency of the method and devices, especially when compressing gas to high pressure. This, for example, is noted in the dissertation work of V.N. Martynov. "Development and research of pumping and compressor units for compressing gases and gas-liquid mixtures." Abstract of Cand. tech. Sciences, - M .: Russian State University of Oil and Gas. THEM. Gubkina, 2009. On page 21 of the abstract in the conclusions of the work, the author, in particular, writes: “The intensity of heat transfer in the compression chamber is not so high that the compression process can be considered isothermal. The value of the compression polytropic coefficient increases with increasing pressure ratio, gradually approaching the adiabatic exponent of the corresponding gas ”.

Технической задачей изобретения является повышение экономичности работы гидропневматического агрегата путем улучшения процесса охлаждения сжимаемого газа.The technical objective of the invention is to improve the efficiency of the hydropneumatic unit by improving the cooling process of the compressed gas.

Данная задача решается следующим образом:This task is solved as follows:

При подаче жидкости в полость газового цилиндра ее живое сечение сначала увеличивается от минимального до достижения поршнем насоса середины хода, а затем уменьшается до величины, соответствующей проходному сечению нагнетательного газового клапана.When a liquid is supplied to the gas cylinder cavity, its open area first increases from the minimum until the pump piston reaches the middle of its stroke, and then decreases to a value corresponding to the flow area of the pressure gas valve.

Перед сжатием газа в газовом цилиндре, его предварительно сжимают в дополнительной газовой полости, причем сжатие осуществляют с помощью поршня или плунжера, соединенного непосредственно с поршнем или плунжером жидкостного насоса.Before compressing the gas in the gas cylinder, it is pre-compressed in an additional gas cavity, and the compression is carried out using a piston or plunger connected directly to the piston or plunger of the liquid pump.

Рабочую полость газового цилиндра выполняют в виде симметричного относительно его поперечного сечения веретена, нижний конец которого непосредственно через канал соединен с рабочей полостью жидкостного насоса, а в зоне верхнего конца рабочей полости устанавливают газовые всасывающие и нагнетательные клапаны.The working cavity of the gas cylinder is made in the form of a spindle symmetrical with respect to its cross-section, the lower end of which is directly through the channel connected to the working cavity of the liquid pump, and gas suction and discharge valves are installed in the area of the upper end of the working cavity.

Образующую веретена газового цилиндра выполняют в виде параболы или в виде двух пересекающихся под тупым углом прямых линий, при этом отношение половины длины веретена к его радиусу в его срединной части может составлять величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти..The spindle forming of the gas cylinder is made in the form of a parabola or in the form of two straight lines intersecting at an obtuse angle, while the ratio of half the spindle length to its radius in its middle part can be a value ranging from 10 to 20 ..

Газовый цилиндр выполняют из двух жестко стянутых между собой частей с разъемом по максимальному радиусу рабочей полости.The gas cylinder is made of two rigidly tied together parts with a connector along the maximum radius of the working cavity.

Поршень насоса выполнен дифференциальным и делит цилиндрическую полость на две части, причем подпоршневая полость является рабочей полостью насоса, а надпоршневая полость - дополнительной газовой полостью, в которой установлены всасывающие клапаны, соединенные с источником газовой среды, и нагнетательные клапаны, соединенные со всасывающими клапанами газового цилиндра.The pump piston is made differential and divides the cylindrical cavity into two parts, the subpiston cavity being the working cavity of the pump, and the above-piston cavity as an additional gas cavity, in which the suction valves connected to the gas medium source and the discharge valves connected to the gas cylinder suction valves are installed ...

Напротив входа канала, соединяющего рабочую полость насоса с газовой полостью, в этой полости установлена жесткая площадка, закрепленная, например, в плоскости разъема газового цилиндра.Opposite the inlet of the channel connecting the working cavity of the pump with the gas cavity, a rigid platform is installed in this cavity, fixed, for example, in the plane of the gas cylinder connector.

Поршень или плунжер насоса закреплен на поршне, размещенном в дополнительном цилиндре, этот поршень соединен с кривошипно-шатунным механизмом, и в этом цилиндре установлены всасывающие клапаны, соединенные с источником газа, и нагнетательные клапаны, соединенные со всасывающими клапанами газового цилиндра, при этом газовый цилиндр может быть установлен неподвижно на цилиндре жидкостного насоса, а дополнительный цилиндр может быть выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, дополнительный поршень выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток, проходящий через нижнюю часть этого цилиндра, при этом дополнительный поршень делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, причем одна из этих полостей соединена через всасывающий клапан с источником газа, а через нагнетательный - со всасывающим клапаном другой полости, нагнетательный клапан которой соединен через всасывающий клапан с газовой полостью. Кроме того, дополнительный цилиндр может быть выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, дополнительный поршень выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток, проходящий через нижнюю часть этого цилиндра, при этом дополнительный поршень делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, причем одна из этих полостей соединена через всасывающий клапан с источником газа, а через нагнетательный - со всасывающим клапаном газовой полости, нагнетательный клапан которой соединен через всасывающий клапан с дополнительной газовой полостью, нижняя часть которой соединена непосредственно с другой частью дополнительного цилиндра, заполненной жидкостью.The piston or plunger of the pump is fixed on a piston placed in an additional cylinder, this piston is connected to the crank mechanism, and in this cylinder there are suction valves connected to the gas source and discharge valves connected to the suction valves of the gas cylinder, while the gas cylinder can be installed stationary on the cylinder of a liquid pump, and the additional cylinder can be made in the form of a closed cylindrical cavity, the additional piston is made differential and connected to the drive mechanism through a rod passing through the bottom of this cylinder, while the additional piston divides the additional cylinder into two parts - subpiston and overpiston, one of these cavities being connected through a suction valve to a gas source, and through a discharge valve to a suction valve of another cavity, the discharge valve of which is connected through a suction valve to a gas cavity. In addition, the additional cylinder can be made in the form of a closed cylindrical cavity, the additional piston is made differential and is connected to the drive mechanism through a rod passing through the lower part of this cylinder, while the additional piston divides the additional cylinder into two parts - subpiston and overpiston, and one from these cavities it is connected through the suction valve to the gas source, and through the discharge valve to the suction valve of the gas cavity, the discharge valve of which is connected through the suction valve to the additional gas cavity, the lower part of which is connected directly to the other part of the additional cylinder filled with liquid.

Рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, заполнена высокопористым материалом, например, в виде слоев металлической сетки.The working cavity of the gas cylinder, which has a spindle-shaped longitudinal section, is filled with a highly porous material, for example, in the form of layers of a metal mesh.

Рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами веретенообразных трубок.The working cavity of the gas cylinder, which has a spindle-shaped longitudinal section, is made in the form of a radiator consisting of a number of spindle-shaped tubes connected by common channels.

Рабочая полость газового цилиндра имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей и заполнена округлыми телами, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками, выполненными, например, в виде металлических сеток, причем размер округлых тел каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра к торцам цилиндра.The working cavity of the gas cylinder has a cylindrical shape with a rectilinear generatrix and is filled with rounded bodies separated across the longitudinal axis of the cylinder by highly porous gaskets, made, for example, in the form of metal meshes, and the size of the rounded bodies of each row of their packing decreases in the direction from the longitudinal center to the ends of the cylinder.

Рабочая полость газового цилиндра имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей, а вдоль цилиндра по его оси установлен стержень, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов.The working cavity of the gas cylinder has a cylindrical shape with a rectilinear generatrix, and a rod is installed along the cylinder along its axis, made in the form of two cones directed towards the middle of the cylinder.

Поршень насоса выполнен дифференциальным с образованием верхней и нижней жидкостной полости, которые соединены между собой через каналы и теплообменник, причем с газовым цилиндром соединена полость, имеющая больший объем, а разность между объемами этих полостей равна рабочему объему газового цилиндра.The pump piston is made differential with the formation of upper and lower liquid cavities, which are connected to each other through channels and a heat exchanger, moreover, a cavity having a larger volume is connected to the gas cylinder, and the difference between the volumes of these cavities is equal to the working volume of the gas cylinder.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен гидропневматический агрегат с поршневым насосом и веретенообразной газовой полостью, соединенной с этим насосом.FIG. 1 shows a hydropneumatic unit with a piston pump and a spindle-shaped gas cavity connected to this pump.

На фиг. 2 показан агрегат с дифференциальным поршнем, который делит цилиндр на газовую и насосную полости, которые соединены с газовым цилиндром веретенообразной формы.FIG. 2 shows a unit with a differential piston, which divides the cylinder into gas and pumping cavities, which are connected to a spindle-shaped gas cylinder.

На фиг. 3 показана отдельно газовая полость в виде встречных конусов с прямолинейными образующими и с площадкой напротив входа жидкости.FIG. 3 shows a separate gas cavity in the form of opposing cones with rectilinear generatrices and with a platform opposite the liquid inlet.

На фиг. 4 показан агрегат с плунжером насоса, который закреплен на поршне, размещенном в дополнительном газовом цилиндре с газовыми клапанами, и при этом нагнетательные клапаны соединены со всасывающими клапанами газового цилиндра.FIG. 4 shows an assembly with a pump plunger which is mounted on a piston located in an additional gas cylinder with gas valves, and the discharge valves are connected to the suction valves of the gas cylinder.

На фиг. 5. показан агрегат, аналогичный изображенному на фиг. 4, в котором газовый цилиндр установлен неподвижно на цилиндре жидкостного насоса.FIG. 5. shows an assembly similar to that shown in FIG. 4, in which the gas cylinder is fixedly mounted on the cylinder of the liquid pump.

На фиг. 6 изображен агрегат, аналогичный показанному на фиг. 5, в котором дополнительный поршень выполнен дифференциальным и делит дополнительный цилиндр на две части - подпоршневую и надпоршневую, которые являются первой и второй газовыми ступенями агрегата.FIG. 6 shows an assembly similar to that shown in FIG. 5, in which the additional piston is made differential and divides the additional cylinder into two parts - subpiston and overpiston, which are the first and second gas stages of the unit.

На фиг. 7 изображен агрегат, аналогичный показанному на фиг. 6, в котором полость над дополнительным поршнем заполнена жидкостью и соединена с дополнительным газовым цилиндром, являющимся третьей газовой ступенью.FIG. 7 shows an assembly similar to that shown in FIG. 6, in which the cavity above the additional piston is filled with liquid and connected to the additional gas cylinder, which is the third gas stage.

На фиг. 8 показан газовый цилиндр заполнен высокопористым материалом, например, в виде слоев металлической сетки, фрагмент которой показан на фиг. 9.FIG. 8 shows a gas cylinder filled with a highly porous material, for example in the form of layers of a metal mesh, a fragment of which is shown in FIG. nine.

На фиг 10 и 11 показан агрегат, в котором рабочая полость газового цилиндра выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами веретенообразных трубок с индивидуальными газовыми клапанами у каждой трубки, а на фиг. 12 - такой же агрегат, но с общими газовыми клапанами.Figures 10 and 11 show a unit in which the working cavity of a gas cylinder is made in the form of a radiator consisting of a number of spindle-shaped tubes connected by common channels with individual gas valves for each tube, and in Fig. 12 - the same unit, but with common gas valves.

На фиг. 13 показан газовый цилиндр, который имеет цилиндрическую форму с прямолинейной образующей и заполнен округлыми телами, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками.FIG. 13 shows a gas cylinder, which has a cylindrical shape with a rectilinear generatrix and is filled with rounded bodies separated across the longitudinal axis of the cylinder by highly porous spacers.

На фиг. 14 показан газовый цилиндр с цилиндрической формой и с прямолинейной образующей с установленным стержнем, в виде двух направленных к середине цилиндра конусов.FIG. 14 shows a gas cylinder with a cylindrical shape and with a straight generatrix with an installed rod in the form of two cones directed towards the middle of the cylinder.

На фиг 15 и 16 показан агрегат с дифференциальным поршнем и двумя жидкостными полостями, соединенными между собой теплообменником.Figures 15 and 16 show a unit with a differential piston and two liquid chambers connected by a heat exchanger.

Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 1 (фиг. 1), содержит поршневой жидкостный насос 1 с цилиндрической рабочей полостью 2 и кривошипно-шатунным приводом 3 поршня 4. Рабочая полость 2 соединена каналом 5 с теплообменником 6 непосредственно с газовым цилиндром 7, имеющим всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны. При этом рабочая полость 10 газового цилиндра 7 выполнена в виде симметричного относительно его поперечного сечения веретена, нижний конец 11 которого непосредственно через канал 5 соединен с рабочей полостью 2 жидкостного насоса 1, а газовые всасывающие и нагнетательные клапаны 8 и 9 установлены в зоне верхнего конца 12 рабочей полости 10. В данном примере образующая веретена рабочей полости 10 газового цилиндра 7 выполнена в виде параболы, и газовый цилиндр 7 изготовлен из двух жестко стянутых между собой частей 13 и 14 с разъемом 15 по максимальному радиусу рабочей полости 10. Изготовление цилиндра 7 в виде двух стянутых между собой частей существенно облегчает его изготовление.The hydropneumatic unit for implementing the method according to claim 1 (Fig. 1), contains a piston liquid pump 1 with a cylindrical working cavity 2 and a crank drive 3 of the piston 4. The working cavity 2 is connected by a channel 5 with a heat exchanger 6 directly with a gas cylinder 7 having suction 8 and discharge 9 valves. In this case, the working cavity 10 of the gas cylinder 7 is made in the form of a spindle symmetrical with respect to its cross-section, the lower end 11 of which is directly connected through the channel 5 to the working cavity 2 of the liquid pump 1, and the gas suction and discharge valves 8 and 9 are installed in the area of the upper end 12 working cavity 10. In this example, the generatrix of the spindle of the working cavity 10 of the gas cylinder 7 is made in the form of a parabola, and the gas cylinder 7 is made of two rigidly tightened parts 13 and 14 with a connector 15 along the maximum radius of the working cavity 10. Making the cylinder 7 in the form two parts tightened together makes it much easier to manufacture.

Отношение половины длины веретена к его радиусу в его срединной части составляет величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти.The ratio of half the length of the spindle to its radius in its middle part is a value ranging from 10 to 20.

Гидропневматический агрегат для осуществления способа по п. 2 (фиг. 2), содержит поршневой жидкостный насос 1 с цилиндрической рабочей полостью 20 и кривошипно-шатунным приводом (условно показан только шток 21 привода) поршня 22. Поршень 22 насоса выполнен дифференциальным со штоком 21 и делит цилиндрическую полость 20 на две части, причем подпоршневая полость 23 является рабочей полостью насоса, а надпоршневая полость 24 - дополнительной газовой полостью, в которой установлены всасывающие клапаны 25, соединенные с источником газовой среды, и нагнетательные клапаны 26, соединенные со всасывающими клапанами 8 газового цилиндра через канал 27 и теплообменник 28.A hydropneumatic unit for implementing the method according to claim 2 (Fig. 2) contains a piston liquid pump 1 with a cylindrical working cavity 20 and a crank drive (only the drive rod 21 is conventionally shown) of the piston 22. The pump piston 22 is made differential with the rod 21 and divides the cylindrical cavity 20 into two parts, and the subpiston cavity 23 is the working cavity of the pump, and the above-piston cavity 24 is an additional gas cavity, in which the suction valves 25 are installed, connected to the source of the gas medium, and the discharge valves 26, connected to the suction valves 8 of the gas cylinder through channel 27 and heat exchanger 28.

На фиг. 3 показан газовый цилиндр 7 с рабочей полостью 10 в виде веретена, поверхность которого образована двумя прямыми линиями, пересекающимися под тупым углом β. В данном примере напротив входа канала 5, соединяющего рабочую полость 23 насоса с газовой полостью 10, в этой полости установлена жесткая площадка 29, закрепленная через стенки вставки 30 с окнами 31 в плоскости разъема 15 газового цилиндра 7.FIG. 3 shows a gas cylinder 7 with a working cavity 10 in the form of a spindle, the surface of which is formed by two straight lines intersecting at an obtuse angle β. In this example, opposite the inlet of the channel 5 connecting the working cavity 23 of the pump with the gas cavity 10, a rigid platform 29 is installed in this cavity, fixed through the walls of the insert 30 with windows 31 in the plane of the connector 15 of the gas cylinder 7.

На фиг. 4 показан агрегат, содержащий плунжерный жидкостный насос с цилиндрической рабочей полостью 40 жидкостного цилиндра 41 и кривошипно-шатунным приводом 42 плунжера 43, размещенного в жидкостном цилиндре 41 с образованием рабочей полости 40. Рабочая полость 40 насоса соединена каналом 5 через теплообменник 6 непосредственно с газовым цилиндром 7, имеющим всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны. Плунжер 43 насоса закреплен на поршне 44, размещенном в дополнительном цилиндре 45 с образованием рабочей полости 46, и этот поршень 44 соединен с кривошипно-шатунным механизмом 42. В цилиндре 45 установлены всасывающие 47 клапаны, соединенные с источником газа, и нагнетательные 48 клапаны, соединенные со всасывающими клапанами 8 газового цилиндра 7 через канал 49 и теплообменник 50. На входе канала 5 в полость 10 установлена вставка 51 из пористого материала.FIG. 4 shows a unit containing a plunger liquid pump with a cylindrical working cavity 40 of a liquid cylinder 41 and a crank drive 42 of a plunger 43 located in a liquid cylinder 41 to form a working cavity 40. The working cavity 40 of the pump is connected by channel 5 through heat exchanger 6 directly to the gas cylinder 7, having suction 8 and discharge 9 valves. The plunger 43 of the pump is fixed on the piston 44, located in the additional cylinder 45 with the formation of the working cavity 46, and this piston 44 is connected to the crank mechanism 42. In the cylinder 45, there are suction valves 47 connected to a gas source, and delivery valves 48 connected with suction valves 8 of the gas cylinder 7 through the channel 49 and the heat exchanger 50. At the inlet of the channel 5 into the cavity 10, an insert 51 of a porous material is installed.

Конструкция, изображенная на фиг. 5, отличается от изображенной на фиг. 4 тем, что газовый цилиндр 7 установлен неподвижно на цилиндре 41 жидкостного насоса. В этом варианте агрегата отсутствует теплообменник 6, а функция канала 5 и пористой вставки 51 совмещена.The structure shown in FIG. 5 differs from that shown in FIG. 4 in that the gas cylinder 7 is fixedly mounted on the cylinder 41 of the liquid pump. In this version of the unit there is no heat exchanger 6, and the function of the channel 5 and the porous insert 51 is combined.

Агрегат, изображенный на фиг. 6, отличается от предыдущей конструкции тем, что дополнительный цилиндр 45 выполнен в виде замкнутой цилиндрической полости, а дополнительный поршень 44 выполнен дифференциальным и соединен с механизмом привода через шток 60, проходящий через нижнюю часть цилиндра 45. При этом дополнительный поршень 44 делит дополнительный цилиндр 45 на две части - подпоршневую 61 и надпоршневую 62, причем одна из этих полостей (в данном примере - полость 61) соединена через всасывающий клапан 63 с источником газа, а через нагнетательный 64 - через канал 65 и теплообменник 66 - со всасывающим клапаном 67 другой полости (в данном примере - с полостью 62), нагнетательный клапан которой 68 соединен через канал 69, теплообменник 70 и клапан 8 с газовой полостью 10.The assembly shown in FIG. 6 differs from the previous design in that the additional cylinder 45 is made in the form of a closed cylindrical cavity, and the additional piston 44 is made differential and is connected to the drive mechanism through a rod 60 passing through the bottom of the cylinder 45. In this case, the additional piston 44 divides the additional cylinder 45 into two parts - sub-piston 61 and over-piston 62, and one of these cavities (in this example, cavity 61) is connected through a suction valve 63 to a gas source, and through a discharge 64 through channel 65 and heat exchanger 66 to a suction valve 67 of another cavity (in this example - with the cavity 62), the discharge valve of which 68 is connected through the channel 69, the heat exchanger 70 and the valve 8 with the gas cavity 10.

Конструкция агрегата, изображенного на фиг. 7, отличается от изображенной на фиг. 6 тем, что надпоршневая полость 62 дополнительного цилиндра 45 заполнена жидкостью и соединена через канал 80 с теплообменником 81 и через пористую вставку 82 с нижней частью полости 83 дополнительного газового цилиндра 84. Всасывающий клапан 85 дополнительного газового цилиндра соединен через канал 86 с теплообменником 87 с нагнетательным клапаном 9 газового цилиндра 7, всасывающий клапан 8 которого соединен через канал 90 и теплообменник 91 с нагнетательным клапаном 64 подпоршневой полости 61, всасывающий клапан которой 63 соединен с источником газа.The construction of the unit shown in FIG. 7 differs from that shown in FIG. 6 in that the above-piston cavity 62 of the additional cylinder 45 is filled with liquid and is connected through the channel 80 with the heat exchanger 81 and through the porous insert 82 with the lower part of the cavity 83 of the additional gas cylinder 84. The suction valve 85 of the additional gas cylinder is connected through the channel 86 with the heat exchanger 87 with a pressure valve 9 of the gas cylinder 7, the suction valve 8 of which is connected through the channel 90 and the heat exchanger 91 to the discharge valve 64 of the sub-piston cavity 61, the suction valve of which 63 is connected to the gas source.

На фиг 8 изображен газовый цилиндр 7 гидропневматического агрегата, в котором рабочая полость 10, имеющая веретенообразное продольное сечение, заполнена высокопористым материалом виде слоев металлической сетки 92, фрагмент которой показан на фиг. 9.Fig. 8 shows a gas cylinder 7 of a hydropneumatic unit, in which the working cavity 10, having a spindle-shaped longitudinal section, is filled with a highly porous material in the form of layers of a metal mesh 92, a fragment of which is shown in Fig. nine.

На фиг 10-11 изображен газовый цилиндр гидропневматического агрегата, в котором рабочая полость газового цилиндра, имеющая веретенообразное продольное сечение, выполнена в виде радиатора, состоящего из ряда соединенных общими каналами 100, 101 и 102 веретенообразных трубок 103. Законцовки трубок 103 снабжены пористыми вставками 104 и 105. Радиатор собран из верхнего 106 и нижнего 107 бачков и боковин 108. В данной конструкции всасывающие 8 и нагнетательные 9 клапаны являются индивидуальными для каждой трубки 103.Figures 10-11 show a gas cylinder of a hydropneumatic unit, in which the working cavity of the gas cylinder, having a spindle-shaped longitudinal section, is made in the form of a radiator consisting of a number of spindle-shaped tubes 103 connected by common channels 100, 101 and 102. The ends of the tubes 103 are provided with porous inserts 104 and 105. The radiator is assembled from the upper 106 and lower 107 tanks and sides 108. In this design, the suction 8 and discharge 9 valves are individual for each tube 103.

На фиг. 12 показан аналогичный радиатор, но с общими для всех трубок 103 всасывающим 8 и нагнетательным 9 клапанами, что обеспечено наличием дополнительной планки 109 для монтажа трубок 103 и пазом 110 в верхнем бачке 106, заполненном пористой массой.FIG. 12 shows a similar radiator, but with common suction 8 and delivery valves 9 for all pipes 103, which is provided by the presence of an additional strip 109 for mounting pipes 103 and a groove 110 in the upper tank 106 filled with a porous mass.

На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7 с цилиндрической формой рабочей полости с прямолинейной образующей, которая заполнена округлыми телами - шариками 120, разделенными поперек продольной оси цилиндра высокопористыми прокладками 121, выполненными, например, в виде металлических сеток, причем размер шариков каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра 122 к торцам цилиндра 7.FIG. 13 shows a gas cylinder 7 with a cylindrical working cavity with a rectilinear generatrix, which is filled with rounded bodies - balls 120, divided across the longitudinal axis of the cylinder by highly porous spacers 121, made, for example, in the form of metal nets, and the size of the balls in each row of their packing decreases in the direction from the longitudinal center 122 to the ends of the cylinder 7.

На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7 с цилиндрической формой рабочей полости с прямолинейной образующей, а вдоль цилиндра по его оси установлен стержень 123, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов 124 и 125, причем основания конусов отстоят от верхнего и нижнего торцов цилиндра 7 на расстояние, достаточное для прохода жидкости и газа.FIG. 13 shows a gas cylinder 7 with a cylindrical shape of the working cavity with a rectilinear generatrix, and a rod 123 is installed along the cylinder along its axis, made in the form of two cones 124 and 125 directed towards the middle of the cylinder, and the bases of the cones are spaced from the upper and lower ends of the cylinder 7 by a distance sufficient for the passage of liquid and gas.

На фиг. 15 показан гидропневматический агрегат, в котором дисковый поршень 130 насоса выполнен дифференциальным со штоком 131 и с образованием верхней 132 и нижней 133 жидкостных полостей. Эти полости соединены между собой через каналы 134 и 135, теплообменник 136, а с газовым цилиндром 7 через высокопористую вставку 137 соединена полость 132, имеющая больший объем, а разность между объемами полостей 132 и 133 равна рабочему объему 10 газового цилиндра 7. Поршень 130 установлен в цилиндре 138.FIG. 15 shows a hydropneumatic unit in which the pump disc piston 130 is made differential with the rod 131 and with the formation of the upper 132 and lower 133 liquid cavities. These cavities are connected to each other through channels 134 and 135, a heat exchanger 136, and a cavity 132 with a larger volume is connected to the gas cylinder 7 through a highly porous insert 137, and the difference between the volumes of the cavities 132 and 133 is equal to the working volume 10 of the gas cylinder 7. The piston 130 is installed in cylinder 138.

На фиг 16 показан агрегат, аналогичный изображенному на фиг. 15. Разница состоит в том, что дифференциальный поршень 139 этого агрегата выполнен тронковым с шатуном 140, а цилиндр 138 выполнен ступенчатым с образованием жидкостных полостей 132 и 133.FIG. 16 shows an assembly similar to that shown in FIG. 15. The difference lies in the fact that the differential piston 139 of this unit is made of a trunk with a connecting rod 140, and the cylinder 138 is made stepped with the formation of liquid cavities 132 and 133.

Реализация способа по п. 1 происходит следующим образом (фиг. 1).The implementation of the method according to claim 1 is as follows (Fig. 1).

При возвратно-поступательном движении поршня 4 объем полости 2 последовательно наполняется и опорожняется от жидкости. При движении поршня 4 из нижней мертвой точки (НМТ) вверх он вытесняет жидкость из полости 2, и она через канал 5 и теплообменник 6 попадает в полость 10 газового цилиндра 7. Объем этого цилиндра равен рабочему объему полости 2 (определяется произведением площади поршня 4 на величину его хода), и когда поршень 4 находится в положении НМТ, полость 10 свободна от жидкости и заполнена газом. В этот же момент времени канал 5 и теплообменник 6 полностью заполнены жидкостью. Поэтому в самом начале движения поршня 4 вверх жидкость начинает заполнять полость 10. With the reciprocating movement of the piston 4, the volume of the cavity 2 is sequentially filled and emptied from the liquid. When the piston 4 moves from bottom dead center (BDC) upwards, it displaces liquid from cavity 2, and through channel 5 and heat exchanger 6 it enters cavity 10 of gas cylinder 7. The volume of this cylinder is equal to the working volume of cavity 2 (determined by the product of the area of the piston 4 by the magnitude of its stroke), and when the piston 4 is in the LDC position, the cavity 10 is free of liquid and filled with gas. At the same time, channel 5 and heat exchanger 6 are completely filled with liquid. Therefore, at the very beginning of the upward movement of the piston 4, the liquid begins to fill the cavity 10.

В связи с тем, что поршень 4 приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом, в начале хода его скорость очень мала, и количество жидкости, поступающее в полость 10, тоже мало. Однако, в связи с тем, что полость 10 выполнена в виде веретена, ее сечение в нижней части 14 также мало, и поэтому уровень жидкости поднимается достаточно быстро, скорость ее течения вдоль стенок полости 10 и скорость движения поверхности ее уровня также велико, что предопределяет весьма интенсивный теплообмен между жидкостью и сжимаемым газом и между газом и стенками полости 10.Due to the fact that the piston 4 is driven by the crank mechanism, at the beginning of the stroke its speed is very low, and the amount of liquid entering the cavity 10 is also small. However, due to the fact that the cavity 10 is made in the form of a spindle, its cross-section in the lower part 14 is also small, and therefore the liquid level rises quickly enough, the speed of its flow along the walls of the cavity 10 and the speed of movement of the surface of its level is also high, which predetermines very intense heat exchange between the liquid and the compressible gas and between the gas and the walls of the cavity 10.

При дальнейшем ходе поршня 4 вверх, до середины его хода, его скорость растет, однако растет и сечение полости 10, в связи с чем относительное движение поверхностей жидкости и газа и газа и стенок полсти 10 остается примерно таким же высоким, как в начале хода поршня. With the further stroke of the piston 4 up, until the middle of its stroke, its speed increases, however, the cross section of the cavity 10 also grows, and therefore the relative motion of the surfaces of the liquid and gas and gas and the walls of the cavity 10 remains approximately the same high as at the beginning of the piston stroke ...

Такое явление продолжается до середины хода поршня 4, а затем начинается обратное явление - при снижении скорости поршня 4 растет скорость движения уровня жидкости, и интенсивность теплообмена остается высокой.This phenomenon continues until the middle of the stroke of the piston 4, and then the opposite phenomenon begins - with a decrease in the speed of the piston 4, the speed of movement of the liquid level increases, and the intensity of heat exchange remains high.

При достижении давления в полости 10 до давления нагнетания потребителя открывается нагнетательный клапан 9, и сжатый в полости 10 газ направляется потребителю.When the pressure in the cavity 10 reaches the discharge pressure of the consumer, the discharge valve 9 opens and the gas compressed in the cavity 10 is directed to the consumer.

При достижении поршнем 4 положения верхней мертвой точки (ВМТ) жидкость полностью заполняет полость 10, и процесс сжатия-нагнетания газа заканчивается.When the piston 4 reaches the top dead center (TDC) position, the fluid completely fills the cavity 10, and the gas compression-injection process ends.

При последующем движении поршня 4 из ВМТ вниз жидкость, следуя за поршнем, начинает движение назад в полость 2, давление в полости 10 падает ниже давления источника газа, клапан 9 закрывается, открывается клапан 8, начинается процесс всасывания газа, который продолжается до прихода поршня 4 в положение НМТ, рабочий цикл заканчивается.With the subsequent movement of piston 4 from TDC downward, the liquid, following the piston, begins to move back into cavity 2, the pressure in cavity 10 drops below the pressure of the gas source, valve 9 closes, valve 8 opens, the process of gas suction begins, which continues until the arrival of piston 4 to the BDC position, the working cycle ends.

В процессе каждого рабочего цикла жидкость охлаждается в теплообменнике 6.During each working cycle, the liquid is cooled in heat exchanger 6.

В связи с тем, что в такой конструкции газового цилиндра 7 утечки газа практически отсутствуют, и происходит интенсивный отвод теплоты сжатия от газа к жидкости и к стенкам полости 10, возможно сжатие газа до высокого давления в одной ступени.Due to the fact that in such a design of the gas cylinder 7 there are practically no gas leaks, and there is an intensive removal of the heat of compression from the gas to the liquid and to the walls of the cavity 10, it is possible to compress the gas to high pressure in one stage.

Данное утверждение, построенное на логике, подтверждается математическим исследованием, в котором используется метод контрольных объемов, широко применяемый при расчете рабочих процессов, происходящих в полостях машин объемного действия.This statement, built on logic, is confirmed by mathematical research, which uses the control volume method, which is widely used in calculating work processes occurring in the cavities of volumetric action machines.

В данном случае контрольным объемом является полость 10, для которой записывается система уравнений, включающая в себя уравнение первого закона термодинамики для тела с переменной массой, уравнение сохранения массы, уравнение состояния, уравнение динамики запорного элемента клапана и уравнение расхода через клапан:In this case, the control volume is cavity 10, for which a system of equations is written, including the equation of the first law of thermodynamics for a body with variable mass, the mass conservation equation, the equation of state, the dynamic equation of the valve shut-off element and the flow equation through the valve:

Уравнение расхода через клапан:Valve flow equation:

для докритического режима истечения через клапан - (рс/р0) < 0,528, и для критического и надкритического истечения через клапан (рс/р0) ≥ 0,528:

for subcritical flow through the valve - (pc / p0) <0.528, and for critical and supercritical flow through the valve (pc / p0) ≥ 0.528:

, где рС - давление после клапана, р0 - давление перед клапаном, k - показатель адиабаты, μ - коэффициент расхода, fщ - площадь проходного сечения клапана, определяется из уравнения динамики запорного элемента (текущее значение величины h) и его геометрических размеров, а также приведенной массы подвижных элементов клапана (величина mпр) с учетом суммы всех действующих на запорный элемент клапана сил FК.

, where рС is the pressure after the valve, р0 is the pressure before the valve, k is the adiabatic index, μ is the flow coefficient, fsh is the flow area of the valve, is determined from the dynamics equation of the shut-off element (the current value of the value h) and its geometric dimensions, as well as reduced mass of movable elements of the valve (value mпр) taking into account the sum of all forces FK acting on the closing element of the valve.

-

- элементарное изменение внутренней энергии газа;-

- an elementary change in the internal energy of the gas;

-

- элементарный тепловой поток между газом и стенками рабочей полости 10;

, где -

- elementary heat flux between the gas and the walls of the working cavity 10;

where

- площадь поверхности теплообмена;

- коэффициент теплоотдачи;

- средняя температура поверхности теплообмена;

- текущая температура газа в полости 10;

- элементарный промежуток времени; коэффициент теплоотдачи

; текущее значение числа Нуссельта

, А, В и х - постоянные коэффициенты (для объемных машин простого действия А = 0,2…0,235, Х = 0,8…0,86 и В = 500…800), Re - число Рейнольдса -

, где VP - скорость движения газа (рана скорости движения поверхности уровня жидкости), ν - кинематическая вязкость газа; λ(Т) - коэффициент теплопроводности газа; dп - эквивалентный размер полости 10, определяется как текущий по времени диаметр свободной от жидкости части полости 10;

- heat exchange surface area;

- heat transfer coefficient;

- average temperature of the heat exchange surface;

- the current temperature of the gas in the cavity 10;

- an elementary period of time; heat transfer coefficient

; current value of Nusselt number

, A, B and x are constant coefficients (for single-action volumetric machines A = 0.2 ... 0.235, X = 0.8 ... 0.86 and B = 500 ... 800), Re is the Reynolds number -

, where VP is the gas velocity (wound velocity of the liquid level surface), ν is the kinematic viscosity of the gas; λ (T) - coefficient of gas thermal conductivity; dп - the equivalent size of the cavity 10, is determined as the current diameter of the liquid-free part of the cavity 10;

-

- элементарная контурная работа, учитывающая геометрическое изменение газового объема Vk рабочей полости 10 за счет натекания в него и вытекания из него жидкости; -

- elementary contour work, taking into account the geometric change in the gas volume Vk of the working cavity 10 due to the inflow of liquid into it and outflow from it;

-

и

- удельная энтальпия и масса газа, присоединяемая (в процессе всасывания газа) и отделяемая (в процессе нагнетания газа) в результате массообмена; -

and

- specific enthalpy and mass of gas added (during gas suction) and separated (during gas injection) as a result of mass transfer;

При расчете объема и площади поверхности теплообмена конической и параболической части веретенообразной полости 10 использовались следующие уравнения:When calculating the volume and area of the heat transfer surface of the conical and parabolic part of the spindle-shaped cavity 10, the following equations were used:

- площадь параболоида вращения

,

;- area of a paraboloid of revolution

,

;

- объем параболоида вращения

;- the volume of the paraboloid of revolution

;

- площадь конуса

,

;- cone area

,

;

- объем конуса

,- cone volume

,

Значение текущего радиуса Ri получается путем приравнивания значения мгновенного объемного расхода жидкости из полости (или в полость) 2 и объема заполнения (или опорожнения) полости 10. Так, например, для конической формы веретена

, где Vi - объем жидкости, вытесненной в i-тый момент времени τ из полости 2, или «втянутой» поршнем 4 в эту полость.The value of the current radius Ri is obtained by equating the value of the instantaneous volumetric flow rate of liquid from the cavity (or into the cavity) 2 and the volume of filling (or emptying) the cavity 10. For example, for a conical spindle

, where Vi is the volume of liquid displaced at the i-th moment of time τ from cavity 2, or "pulled" by the piston 4 into this cavity.

Интегрирование вышеприведенной системы уравнений происходит по углу поворота коленчатого вала кривошипно-шатунного привода 3 поршня 4, за каждый шаг интегрирования в полости 10 происходит изменение уровня жидкости на величину ΔS и радиуса поверхности уровня жидкости на величину ΔR (фиг. 1 и 3). Элементарный объем вытесненной или «втянутой» в полость 2 жидкости определяется по уравнению

, где λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна кривошипно-шатунного привода 3, ϕ - угол поворота коленчатого вала, FП - площадь днища поршня 4, ω - угловая скорость вращения коленчатого вала.The integration of the above system of equations occurs according to the angle of rotation of the crankshaft of the crank drive 3 of the piston 4, for each step of integration in the cavity 10 there is a change in the liquid level by ΔS and the radius of the liquid level surface by ΔR (Figs. 1 and 3). The elementary volume of the liquid displaced or "drawn" into the cavity 2 is determined by the equation

, where λ is the ratio of the radius of the crank to the length of the connecting rod of the crank drive 3, ϕ is the angle of rotation of the crankshaft, FP is the area of the bottom of the piston 4, ω is the angular speed of rotation of the crankshaft.

Вариантные и оптимизационные расчеты показали, что наиболее рациональной формой веретена параболической или конусообразной формы, образованной двумя пересекающимися под тупым углом β (фиг. 3) прямыми линиями является такая, в которой отношение половины длины веретена h к его радиусу R0 в его срединной части составляет величину, находящуюся в пределах от 10-ти до 20-ти.Variant and optimization calculations showed that the most rational form of a spindle of a parabolic or conical shape formed by two intersecting straight lines at an obtuse angle β (Fig. 3) is one in which the ratio of half of the spindle length h to its radius R0 in its middle part is ranging from 10 to 20.

Осуществление работы агрегата по п. 2 формулы происходит в агрегате, показанном на фиг. 2. Здесь перед сжатием газа в полости 10 газового цилиндр 7, его предварительно сжимают в дополнительной надпоршневой газовой полости 24, причем сжатие осуществляют с помощью поршня 22, который в данном примере является одновременно и поршнем жидкостного насоса с рабочей подпоршневой полостью 23. Таким образом, надпоршневая полость 24 является первой газовой ступенью агрегата (обозначена индексом I), а полость 10 газового цилиндра 7 является второй ступенью (обозначена индексом II). Это позволяет в целом повысить давление источника газа, учитывая хорошее охлаждение полости 10 и отсутствие в ней утечек, еще минимум в 10-15 раз, и, например, при давлении источника газа в 1 бар получить на выходе из агрегата давление 150 бар и более.The operation of the unit according to claim 2 of the formula occurs in the unit shown in FIG. 2. Here, before the gas is compressed in the cavity 10 of the gas cylinder 7, it is pre-compressed in the additional above-piston gas cavity 24, and the compression is carried out using the piston 22, which in this example is simultaneously the piston of a liquid pump with a working sub-piston cavity 23. Thus, Above the piston cavity 24 is the first gas stage of the unit (indicated by the index I), and the cavity 10 of the gas cylinder 7 is the second stage (indicated by the index II). This allows, in general, to increase the pressure of the gas source, taking into account the good cooling of the cavity 10 and the absence of leaks in it, by a factor of at least 10-15, and, for example, at a gas source pressure of 1 bar, to obtain a pressure of 150 bar or more at the outlet of the unit.

Для того чтобы при высокой скорости возвратно-поступательного движения жидкости в агрегате, в начале заполнения полости 10 цилиндра 7 жидкость из канала 5 не била струей вверх, что может привести к ее попаданию под запорный элемент еще не закрывшегося полностью всасывающего клапана 8, и не нарушила его работу, над входом канала 5 в полость 10 установлена площадка 29 (фиг. 3), закрепленная через стенки вставки 30 с окнами 31 для свободного прохода жидкости в плоскости разъема 15 газового цилиндра 7.In order that at a high speed of the reciprocating movement of the liquid in the unit, at the beginning of filling the cavity 10 of the cylinder 7, the liquid from the channel 5 does not spray upward, which can lead to it falling under the closing element of the not yet fully closed suction valve 8, and does not break its operation, a platform 29 is installed above the entrance of the channel 5 into the cavity 10 (Fig. 3), fixed through the walls of the insert 30 with windows 31 for free passage of liquid in the plane of the connector 15 of the gas cylinder 7.

Агрегат, изображенный на фиг. 4. работает аналогично двухступенчатой машине, изображенной на фиг. 2 и пояснения не требует. Основное его отличие состоит в использовании тронкового поршня 44 вместо дискового поршня 22, что упрощает конструкцию, но влечет за собой появление на поршне 44 боковых нагрузок. Здесь же показана пористая вставке 51 в конце канала 5 на входе в полость 10, которая способствует более равномерному распределению жидкости в начале заполнения полости 10.The assembly shown in FIG. 4. operates in a manner similar to the two-stage machine shown in FIG. 2 and requires no explanation. Its main difference is the use of a trunk piston 44 instead of a disc piston 22, which simplifies the design, but entails the appearance of lateral loads on the piston 44. It also shows a porous insert 51 at the end of the channel 5 at the entrance to the cavity 10, which contributes to a more uniform distribution of the liquid at the beginning of filling the cavity 10.

Двухступенчатый по газу агрегат, изображенный на фиг. 5, отличается от агрегата, изображенного на фиг. 4, компоновкой цилиндра 7 непосредственно на жидкостном цилиндре 41. Это позволяет сделать конструкцию агрегата технологичной и компактной,The two-stage gas unit shown in FIG. 5 differs from the assembly shown in FIG. 4, the arrangement of the cylinder 7 directly on the liquid cylinder 41. This makes it possible to make the design of the unit technologically advanced and compact,

На фиг. 6 изображен трехступенчатый (по газу) вариант агрегата. Он является комбинацией машин, изображенных на фиг. 2-4. Газ от источника сначала сжимается в полости 61 (1-я ступень), охлаждается в теплообменнике 66, сжимается в полости 62 (2-я ступень), охлаждается в теплообменнике 70, и затем сжимается жидкостью в полости 10 газового цилиндра 7 (3-я ступень). В такой конструкции при давлении всасывания 1 бар можно получить ориентировочно газ под давление 500 бар и выше.FIG. 6 shows a three-stage (gas) version of the unit. It is a combination of the machines shown in FIG. 2-4. Gas from the source is first compressed in cavity 61 (1st stage), cooled in heat exchanger 66, compressed in cavity 62 (2nd stage), cooled in heat exchanger 70, and then compressed by liquid in cavity 10 of gas cylinder 7 (3rd step). In such a design, at a suction pressure of 1 bar, approximately a gas at a pressure of 500 bar and higher can be obtained.

На фиг. 7 показан также трехступенчатый агрегат, однако во второй и третьей ступени газ сжимается жидкостью, подаваемой при возвратно-поступательном движении поршня 44 и плунжера 43 в полость 10 (вторая ступень) и полость 83 цилиндра 84.FIG. 7 also shows a three-stage unit, however, in the second and third stages, the gas is compressed by the liquid supplied by the reciprocating movement of the piston 44 and plunger 43 into the cavity 10 (second stage) and the cavity 83 of the cylinder 84.

Газ сначала сжимается в первой ступени (полость 61), охлаждается в теплообменнике 91, сжимается во второй ступени (полость 10), охлаждается в теплообменнике 87 и затем сжимается в полости 83. в такой конструкции можно сжать газ от 1 бар до 700 бар и выше.The gas is first compressed in the first stage (cavity 61), cooled in the heat exchanger 91, compressed in the second stage (cavity 10), cooled in the heat exchanger 87 and then compressed in the cavity 83. In this design, the gas can be compressed from 1 bar to 700 bar and higher ...

На фиг. 8 показан газовый веретенообразный цилиндр, который заполнен слоями крупной сетки 92 (см. также фиг. 9). Это позволяет полностью исключить неравномерность заполнения полости 10, и, что очень важно - использовать большую поверхность сеток для охлаждения сжимаемого газа.FIG. 8 shows a spindle-shaped gas cylinder filled with layers of coarse mesh 92 (see also FIG. 9). This makes it possible to completely eliminate the uneven filling of the cavity 10, and, which is very important, to use a large surface of the meshes for cooling the compressed gas.

В вышеописанных конструкциях жидкость, сжимающая газ в полости газового цилиндра, охлаждает газ за счет теплообмена поверхности уровня жидкости с газом, а также за счет теплообмена газа со стенками газовой полости, которые также охлаждаются этой же жидкостью. In the above-described structures, the liquid compressing the gas in the cavity of the gas cylinder cools the gas due to the heat exchange of the surface of the liquid level with the gas, as well as due to the heat exchange of the gas with the walls of the gas cavity, which are also cooled by the same liquid.

В данном примере жидкость помимо стенок полости 10 охлаждает и огромную (по сравнению с поверхностью стенок полости 10) поверхность сеток 92, в связи с чем поверхность контакта газа с охлаждающими поверхностями кратно возрастает. Это позволяет существенно увеличить теплопередачу от газа к охлаждающей жидкости и реально существенно приблизить процесс сжатия газа к изотермическому.In this example, the liquid, in addition to the walls of the cavity 10, also cools the huge (compared to the surface of the walls of the cavity 10) surface of the grids 92, and therefore the contact surface of the gas with the cooling surfaces multiplies. This makes it possible to significantly increase the heat transfer from the gas to the coolant and actually significantly bring the gas compression process closer to isothermal.

На фиг. 10 и 11 показана конструкция газового цилиндра в виде радиатора, состоящего из нескольких веретенообразных трубок. Каждая трубка имеет собственные всасывающие и нагнетательные клапаны, пористые вставки 100, 104 и 105 служат для равномерного распределения жидкости в зоне ее подачи в трубки и в зоне всасывания и нагнетания, чтобы жидкость не плескалась и не попадала под запорные элементы клапанов. Такое исполнение газового цилиндра дополнительно в несколько раз повышает поверхности теплообмена и эффективность процесса сжатия газа. А на фиг. 12 показан вариант такой же конструкции, но с общими для трубок всасывающими и нагнетательными клапанами, что организовано пазом 110, тянущимся вдоль трубок 103 и заполненном высокопористым материалом.FIG. 10 and 11 show the structure of a gas cylinder in the form of a radiator, consisting of several spindle-shaped tubes. Each tube has its own suction and discharge valves, porous inserts 100, 104 and 105 serve to evenly distribute the liquid in the zone of its supply to the tubes and in the zone of suction and discharge, so that the liquid does not splash and does not fall under the shut-off elements of the valves. This design of the gas cylinder additionally increases the heat exchange surface and the efficiency of the gas compression process by several times. And in FIG. 12 shows a variant of the same design, but with common suction and discharge valves for the pipes, which is organized by a groove 110 extending along the pipes 103 and filled with a highly porous material.

На фиг. 13 показан газовый цилиндр 7. у которого рабочая полость 10 имеет цилиндрическую форму, а сам цилиндр заполнен округлыми телами (шариками) 120, ряды которых разделены сетками 121. Размер шариков каждого ряда их укладки уменьшается в направлении от продольного центра 122 к торцам цилиндра 7. Шарики изготовлены из материала с высоким удельным весом и высокой теплоемкостью и теплопроводностью. Это, например, свинец и его сплавы, чугун, медь и ее сплавы. Таким образом в цилиндрической полости 10 между шариками образуется свободный веретенообразный объем. Кроме того, что такая форма объема полости 10 способствует повышению эффективности процесса сжатия, шарики 10 создают, как и в конструкции, изображенной на фиг. 8, значительный эффект регенеративного теплообмена, дополнительно приближая процесс сжатия газа к изотермическому.FIG. 13 shows a gas cylinder 7. in which the working cavity 10 has a cylindrical shape, and the cylinder itself is filled with rounded bodies (balls) 120, the rows of which are separated by meshes 121. The size of the balls in each row of their packing decreases in the direction from the longitudinal center 122 to the ends of the cylinder 7. The balls are made of a material with high specific gravity and high heat capacity and thermal conductivity. These are, for example, lead and its alloys, cast iron, copper and its alloys. Thus, a free spindle-shaped volume is formed in the cylindrical cavity 10 between the balls. In addition to the fact that this shape of the volume of the cavity 10 contributes to an increase in the efficiency of the compression process, balls 10 are created, as in the structure shown in FIG. 8, a significant effect of regenerative heat transfer, further bringing the gas compression process closer to isothermal.

На фиг. 14 также изображен цилиндр 7 с прямолинейной образующей полости 10. Установленный вдоль цилиндра по его оси стержень 123, выполненный в виде двух направленных к середине цилиндра конусов 124 и 125, позволяет создать полость 10 веретенообразной формы. Преимущество такой конструкции, как и предыдущей (см. фиг. 13) состоит в простоте изготовления цилиндра 7, т.к. стержень 123 обрабатывается по наружной поверхности, что не представляет технологической сложности, в отличие от изготовления внутренних конических поверхностей и необходимости делать конструкцию цилиндра сборной, или применять для его изготовления такие специфические технологии, как центробежное литье, гидроштамповка, литье по выплавляемым моделям и т.д.FIG. 14 also shows a cylinder 7 with a rectilinear generatrix of the cavity 10. A rod 123 installed along the cylinder along its axis, made in the form of two cones 124 and 125 directed towards the middle of the cylinder, makes it possible to create a spindle-shaped cavity 10. The advantage of this design, as well as the previous one (see Fig. 13), consists in the simplicity of the manufacture of the cylinder 7, since rod 123 is machined on the outer surface, which is not technologically difficult, in contrast to the manufacture of inner conical surfaces and the need to make the cylinder structure prefabricated, or to use such specific technologies as centrifugal casting, hydrostamping, investment casting, etc. ...

На фиг. 15 и 16 изображен поршень насоса выполненный дифференциальным с образованием верхней 132 и нижней 133 жидкостных полостей, которые соединены между собой через каналы и теплообменник 136, причем с газовым цилиндром соединена полость 132, имеющая больший объем. FIG. 15 and 16 show a differential pump piston with the formation of upper 132 and lower 133 liquid cavities, which are connected to each other through channels and a heat exchanger 136, with a cavity 132 having a larger volume connected to the gas cylinder.

Работа конструкций, изображенных на фиг. 15 и 16 отличается от предыдущих тем, что в ней нет теплообменника между газовой полостью 10 и полостью насоса - в данных примерах верхней полостью 132. Теплообменник 136 установлен между верхней 132 и нижней 133 полостями, а разность между их объемами равна объему полости 10. The operation of the structures shown in FIG. 15 and 16 differs from the previous ones in that there is no heat exchanger between the gas cavity 10 and the pump cavity - in these examples, the upper cavity 132. The heat exchanger 136 is installed between the upper 132 and lower 133 cavities, and the difference between their volumes is equal to the volume of the cavity 10.

При ходе поршня 130 (фиг. 15) или 139 (фиг. 16) вверх часть жидкости через пористую вставку 137 поступает в полость 10, сжимая газ, а избыточная часть - через теплообменник 136 - в нижнюю полость 133.During the upward stroke of the piston 130 (Fig. 15) or 139 (Fig. 16), part of the liquid through the porous insert 137 enters the cavity 10, compressing the gas, and the excess part, through the heat exchanger 136, enters the lower cavity 133.

При ходе поршней 130 или 139 вниз жидкость отсасывается из полости 10 в полость 132, и туда же поступает жидкость из уменьшающейся полости 133, происходит интенсивное перемешивание жидкости, побывавшей в полости 10 и воспринявшей теплоту от ее стенок и сжимаемого газа, и жидкости, охладившейся в теплообменнике 136.During the downward stroke of the pistons 130 or 139, the liquid is sucked out of the cavity 10 into the cavity 132, and liquid enters there from the decreasing cavity 133, intensive mixing of the liquid that has been in the cavity 10 and absorbed heat from its walls and the compressible gas and the liquid cooled in heat exchanger 136.

В данной конструкции по сравнению с вышеописанными, существенно увеличен объем рабочей жидкости, что позволяет дополнительно снизить температуру газа в процессе его сжатия.In this design, in comparison with those described above, the volume of the working fluid is significantly increased, which makes it possible to further reduce the temperature of the gas during its compression.

Таким образом, техническая задача повышения экономичности работы гидропневматического агрегата выполнена за счет улучшения процесса охлаждения сжимаемого газа путем оптимального проведения процесса сжатия и увеличения поверхности контакта сжимаемого газа с поверхностью теплообмена.Thus, the technical problem of increasing the efficiency of the hydropneumatic unit is accomplished by improving the cooling process of the compressed gas by optimizing the compression process and increasing the contact surface of the compressed gas with the heat exchange surface.

Claims

1. A method of operation of a hydropneumatic unit, which consists in alternating suction and compression by a liquid pump piston driven by a crank mechanism, a liquid and, accordingly, alternately supply and pumping of this liquid from a gas cylinder equipped with suction and discharge valves connected to a source and a consumer of compressed gas, characterized in that when the liquid is supplied into the gas cylinder cavity, its open area first increases from the minimum until the pump piston reaches the middle of its stroke, and then decreases to a value corresponding to the flow area of the pressure gas valve.

2. The method of operation of the hydropneumatic unit according to claim 1, characterized in that before compressing the gas in the gas cylinder, it is pre-compressed in an additional gas cavity, and the compression is carried out using a piston or plunger connected directly to the piston or plunger of the liquid pump.

3. A hydropneumatic unit for implementing the method according to claim 1, comprising a liquid piston pump with a cylindrical working cavity and a crank-connecting rod drive of the piston, and the working cavity is connected by a channel directly to the gas cylinder having suction and discharge valves, characterized in that the working cavity of the gas The cylinder is made in the form of a spindle symmetric with respect to its cross-section, the lower end of which is directly through the channel connected to the working cavity of the liquid pump, and gas suction and discharge valves are installed in the area of the upper end of the working cavity.

4. Hydropneumatic unit according to claim 3, characterized in that the spindle generatrix of the gas cylinder is made in the form of a parabola or in the form of two straight lines intersecting at an obtuse angle.

5. Hydropneumatic unit according to claim 3, characterized in that the ratio of half the length of the spindle to its radius in its middle part is a value ranging from 10 to 20.

6. Hydropneumatic unit according to claim 3, characterized in that the gas cylinder is made of two rigidly tightened parts with a connector along the maximum radius of the working cavity.

7. A hydropneumatic unit for implementing the method according to claim 2, comprising a liquid piston pump with a cylindrical working cavity and a crank-connecting rod drive of the piston, and the working cavity is connected by a channel directly to a gas cylinder having suction and discharge valves, characterized in that the pump piston is made differential and divides the cylindrical cavity into two parts, with the subpiston cavity being the working cavity of the pump, and the above-piston cavity as an additional gas cavity in which the suction valves connected to the gas medium source and the discharge valves connected to the suction valves of the gas cylinder are installed.

8. A hydropneumatic unit according to claim 3 or 7, characterized in that opposite the entrance of the channel connecting the working cavity of the pump with the gas cavity, a rigid platform is installed in this cavity, fixed, for example, in the plane of the gas cylinder connector.

9. A hydropneumatic unit for implementing the method according to claim 2, comprising a piston or plunger liquid pump with a cylindrical working cavity of a liquid cylinder and a crank drive of a piston or plunger placed in a liquid cylinder to form a working cavity, and the working cavity of the pump is connected by a channel directly to a gas cylinder with suction and discharge valves, characterized in that the piston or pump plunger is fixed on a piston located in an additional cylinder, this piston is connected to a crank mechanism and suction valves connected to a gas source and discharge valves are installed in this cylinder connected to the suction valves of the gas cylinder.

10. The hydropneumatic unit according to claim 9, characterized in that the gas cylinder is fixedly mounted on the cylinder of the liquid pump.

11. The hydropneumatic unit according to claim 9, characterized in that the additional cylinder is made in the form of a closed cylindrical cavity, the additional piston is made differential and is connected to the drive mechanism through a rod passing through the lower part of this cylinder, while the additional piston divides the additional cylinder into two parts - subpiston and overpiston, and one of these cavities is connected through a suction valve with a gas source, and through a discharge valve - with a suction valve of another cavity, the discharge valve of which is connected through a suction valve with a gas cavity.

12. Hydropneumatic unit according to claim 9, characterized in that the additional cylinder is made in the form of a closed cylindrical cavity, the additional piston is made differential and is connected to the drive mechanism through a rod passing through the lower part of this cylinder, while the additional piston divides the additional cylinder into two parts - subpiston and overpiston, and one of these cavities is connected through the suction valve to the gas source, and through the discharge valve to the suction valve of the gas cavity, the discharge valve of which is connected through the suction valve to an additional gas cavity, the lower part of which is connected directly to the other part of the additional cylinder filled with liquid.

13. A hydropneumatic unit according to claim 3, characterized in that the working cavity of the gas cylinder having a spindle-shaped longitudinal section is filled with a highly porous material, for example, in the form of layers of a metal mesh.

14. Hydropneumatic unit according to claim 3, characterized in that the working cavity of the gas cylinder having a spindle-shaped longitudinal section is made in the form of a radiator consisting of a number of spindle-shaped tubes connected by common channels.

15. The hydropneumatic unit according to claim 9, characterized in that the working cavity of the gas cylinder has a cylindrical shape with a rectilinear generatrix and is filled with rounded bodies divided across the longitudinal axis of the cylinder by highly porous spacers, made, for example, in the form of metal meshes, and the size of the rounded bodies of each the number of their laying decreases in the direction from the longitudinal center to the ends of the cylinder.

16. The hydropneumatic unit according to claim 9, characterized in that the working cavity of the gas cylinder has a cylindrical shape with a rectilinear generatrix, and a rod is installed along the cylinder along its axis, made in the form of two cones directed towards the middle of the cylinder.

17. Hydropneumatic unit according to claim 3, characterized in that the pump piston is made differential with the formation of upper and lower liquid cavities, which are connected to each other through channels and a heat exchanger, and a cavity having a larger volume is connected to the gas cylinder, and the difference between the volumes of these cavities equal to the working volume of the gas cylinder.